CC BY
52Компоненты и технологии, № 8'2003
Процессоры МАХ14хх
для обработки сигнала датчика
Формирователи МАХ1452, 1455 и 1457 определяются как процессоры обработки аналоговых сигналов резистивных датчиков, оптимизированных для производства и систем управления. Они обеспечивают усиление, калибровку и термокомпенсацию сигнала датчика с отличной повторяемостью. Отсутствие шумов квантования в выходном сигнале сочетается с цифровой подстройкой с помощью встроенных 16-разрядных ЦАП. На вершине этой линейки — 16-разрядный интеллектуальный аналого-цифровой преобразователь МАХ1460, который представляет новую концепцию в обработке сигнала датчика.
Николай Ракович
info@rainbow.msk.ru
В состав формирователя МАХ1452 входят: программируемый источник тока датчика, усилитель с программируемым коэффициентом усиления (16 шагов), внутреннее ЭППЗУ на 768 байт (6144 бит), четыре 16-разрядных ЦАП, дополнительный операционный усилитель и встроенный датчик температуры. В формирователе реализован уникальный принцип температурной компенсации для температурного коэффициента смещения и выхода полного диапазона, что позволяет обеспечить отличную гибкость системы при минимальных затратах на тестирование.
В формирователе реализован выбор пользователем от одной до 114 точек температурной компенсации датчика, что позволяет вводить простую линейную коррекцию первого порядка или формировать требуемую температурную кривую. Программирование до 114 независимых точек (которые хранятся в 16-разрядной памяти) дает возможность изменять температурную характеристику с шагом 1,5 °С в диапазоне от -40 до +125 °С. Если датчик обладает специфической температурной характеристикой, выбранное число точек калибровки можно использовать совместно с рядом предустановленных значений, определяющих температурную кривую. В тех случаях, когда датчик находится при температуре, отличной от температуры формирователя, МАХ1452 использует измерительный мост для дополнительной термокоррекции.
Запись и чтение памяти в последовательном режиме выполняется с помощью цифрового ввода-вывода DIO при параллельном соединении выхода OUT и DIO. После завершения калибровки датчика пользователь может запретить изменение коэффициентов датчика и своих данных (52 байт) с помощью функции блокировки Secure-Lock.
Применение МАХ1452 позволяет выполнять полную калибровку и проверку датчика на одной испытательной установке. Поскольку коэффициенты калибровки хранятся в памяти, то разработчик может изменить параметры тестирования в рамках обычного контроля качества или для фор-
мирования окончательных данных тестирования для конкретных датчиков.
Малое потребление и наличие встроенного дополнительного операционного усилителя дают возможность получить выходной сигнал с токовой нагрузкой 4-20 мА. Применение дополнительного усилителя позволяет разработчику изменить частотную характеристику до величины менее 3,2 кГц (с добавлением нескольких внешних резисторов и конденсаторов).
Как и в предыдущих формирователях, в МАХ1452 реализован полностью аналоговый тракт усиления сигнала датчика, а также применяется аналоговое построение температурной коррекции первого порядка (рис. 1). Цифровое управление аналоговым трактом используется для нелинейной коррекции температурной погрешности. Калибровка и коррекция осу-
Компоненты и технологии, № 8'2003
ществляются изменением смещения и коэффициента усиления усилителя с программируемым коэффициентом усиления и изменением тока или напряжения измерительного моста. Применение в PGA переключаемых КМОП-конденсаторов позволяет изменять смещение в диапазоне ±150 мВ с разрешением 3 мкВ (16 разрядов), а коэффициент усиления — от 39 до 240 за 16 шагов.
Память объемом 6144 бит содержит в виде 16-разрядных слов:
• регистр конфигурации;
• таблицу коэффициентов калибровки смещения;
• регистр коэффициента компенсации температурной погрешности смещения;
• таблицу коэффициентов калибровки выхода полного диапазона;
• регистр коэффициента компенсации температурной погрешности выхода полного диапазона;
• 52 байта (416 бит) для пользователя. Коррекция смещения МАХ1452 выполняется в два этапа. Сначала производится грубая установка смещения усилителя входного сигнала. Окончательная компенсация происходит с использованием таблицы коэффициентов калибровки смещения (176 значений). Встроенный датчик температуры формирует уникальное 16-разрядное значение подстройки смещения с разрешением 1,5 °С в диапазоне температур от -40 до +125 °С. Каждую миллисекунду встроенный датчик температуры выдает значение температуры, по которому из таблицы выбирается соответствующая величина и передается в регистр ЦАП смещения. Результирующее напряжение поступает на сумматор на выходе усилителя PGA, компенсируя таким образом смещение датчика с разрешением ±76 мкВ (±0,0019% выхода полного диапазона). Если ЦАП температурной компенсации смещения находится в нуле, это означает, что максимальная температурная погрешность равна одной десятой температурного дрейфа датчика, что позволяет ЦАП смещения корректировать датчик через 1,5 °С. Границы температурного диапазона определены в Absolute Maximum Ratings. Минимальное индексное значение 00h соответствует -69 °С. Все температуры ниже этой величины имеют коэффициент
индекса 00h. Максимальное индексное значение — AFh (примерно +184 °С), соответственно, все температуры выше этой имеют коэффициент индекса AFh.
Аналогично выполняется и коррекция выхода полного диапазона.
Линейная и нелинейная термокомпенсация. Компенсация температурной погрешности первого порядка выполняется с использованием 16-разрядных коэффициентов калибровки, записанных в регистры OFFSET TC и FSOTC. Питание, подаваемое на пьезорезистивный датчик от источника тока, определяется термозависимым напряжением измерительного моста и ТКС датчика. Опорным напряжением для ЦАП OFFSET TC и ЦАП FSOTC служит напряжение измерительного моста (как и для МАХ1458 и МАХ1478). Встроенные резисторы обратной связи (Risrc и RStC) для компенсации температурной погрешности FSO оптимизированы для кремниевых датчиков (75 кОм каждый). Но возможно использование и внешних резисторов (так как резистор обратной связи зависит от типа датчика). Выбор внешнего или внутреннего резистора обратной связи определяется установкой соответствующего бита в регистре конфигурации.
Чтобы определить коэффициенты компенсации температурной погрешности смещения и выхода полного диапазона, необходимо провести измерение температуры всего в двух точках. После проведения минимум двух измерений в каждой точке вычисляются коэффициенты компенсации и записываются в память формирователя. Следует помнить, что смещение не влияет на выход полного диапазона, в то время как изменение выхода полного диапазона будет оказывать влияние на величину смещения вследствие архитектуры измерительного моста.
Измерение температуры проводится и формирователем МАХ1452 и датчиком моста. Кроме того, настоятельно рекомендуется учитывать температуру датчика измерительного моста для компенсации температурной погрешности первого порядка.
Как и в рассмотренных ранее формирователях (см. «КиТ» №7'2003), в МАХ1452 также реализовано конфигурирование выходного сигнала, чем обеспечивается независимость цифровых данных от источника питания.
Внешними элементами при этом являются конденсатор по питанию и конденсатор от помех, дополнительные резисторы — только для специальных типов датчиков (рис. 2).
При изменении входного напряжения питания в широких пределах (от 12 до 40 В) для формирования необходимых напряжений применяется микросхема питания МАХ6105 вместе с регулирующим элементом (например, 2Ш392) (рис. 3).
Формирователь МАХ1455, предназначенный в первую очередь для автомобильной техники, отличается возможностью работы в диапазоне температур от -40 до +85/125 °С (в зависимости от исполнения). Помимо этого, в состав формирователя входит четыре варианта порогов с дискретностью 50 мВ от 0,1/4,9 В до 0,25/4,75 В (рис. 4). Смещение и выход полного диапазона могут быть откалиброваны с точностью ±0,02% от выхода полного диапазона. К этому следует добавить и четыре тестовых вывода.
В МАХ1452 и МАХ1455 предусмотрена возможность калибровки в составе недорогой системы тестирования при параллельном соединении нескольких приборов (рис. 5): однопроводной цифровой интерфейс и выход с тремя состояниями.
Рис. 4. Блок-схема МАХ1455
Компоненты и технологии, № 8'2003
our /
І—//-
ШТруЕЫ
Рис. 5. Система тестирования при параллельном соединении нескольких приборов (МАХ1452, МАХ1455)
Для тех, кому нужна максимальная точность, фирма MAXIM выпускает формирователь МАХ1457, погрешность которого составляет 0,1% от повторяющейся погрешности датчика.
Достижение такой погрешности так просто не дается. Поэтому в состав МАХ 1457 входят (рис. 6): усилитель с 3-разрядным программируемым коэффициентом усиле-
ния, 12-разрядный АЦП, пять 16-разрядных ЦАП и дополнительный операционный усилитель. Источник тока измерительного моста также программируется от 0,1 до 2 мА с шагом 15 нА. Во внешней недорогой памяти хранятся все поправочные коэффициенты, к которым добавились коэффициенты нелинейности давления.
Начальная калибровка смещения состоит из считывания 16-разрядного коэффициента из внешней памяти и записи его в ЦАП смещения (OFFSET). Результирующее напряжение (OFSTDAC) поступает на сумматор для компенсации смещения датчика с разрешением ±0,2 мВ (±0,005% выхода полного диапазона).
Калибровка выхода полного диапазона
состоит из двух шагов. Сначала грубо устанавливается коэффициент усиления входного усилителя, а затем калибруется ток измерительного моста записью 16-разрядного поправочного коэффициента в ЦАП FSO. Результат — разрешение ±0,2 мВ (±0,005% выхода полного диапазона).
Аналогично выполняется и компенсация линейной температурной погрешности.
Компенсация нелинейной температурной погрешности позволяет компенсировать случайную погрешность. Это достигается введением на весь температурный диапа-
зон 120 калибровочных сегментов, каждый из которых состоит из одного коэффициента OFFSET TC и одного коэффициента FSO TC. Каждый 16-разрядный коэффициент компенсирует погрешность выходного сигнала (смещение или выход полного диапазона) с разрешением ±0,2 мВ (±0,005% выхода полного диапазона). 12-разрядный АЦП измеряет зависящее от температуры напряжение измерительного моста (BDRIVE) и выбирает из ЭППЗУ соответствующие значения калибровки смещения и выхода полного диапазона в узком температурном диапазоне (например, 1 °С). Такая 120-сегментная компенсация позволяет МАХ 1457 устранять температурную погрешность для большого числа датчиков (рис. 7).
Вычисление поправочных коэффициентов выполняется по данным тестирования датчика. Чем больше число тестовых сегментов, тем, соответственно, выше точность, однако за это надо платить увеличением «накладных расходов» на тестирование. Например, коррекция 6% температурной нелинейности с использованием 60 сегментов (половина всех калибровочных сегментов) дает погрешность 0,1% (6%/60) (наглядная иллюстрация — на рис. 8).
AJUNCOMPENSATED SENSOR ERROR
t
SMALL NONLINEARITY ERROR
TEMPERATURE B]RESULTANT ERROR AFTER LINEAR CI\OMPENSATION
TEMPERATURE
C)RESULTANT ERROR AFTER MULTISLOPE COMPENSATION
Рис. 8. Пример температурной компенсации МАХ1457
Компоненты и технологии, № 8'2003
Устранение погрешности, вызванной нелинейностью характеристики датчика давления, обеспечивается обратной связью (резистор Rlin на рис. 9) между выходом LINOUT и источником тока (вывод ISRC). Коэффициент обратной связи устанавливается записью 16-разрядного слова в ЦАП FSO LIN (линеаризация выхода полного диапазона). Для большинства кремниевых датчиков эта коррекция позволяет уменьшить нелинейность характеристики датчика на порядок.
В линейке формирователей МАХ14хх верхнюю позицию занимает 16-разрядный интеллектуальный аналого-цифровой преобразователь МАХ1460, который представляет новую концепцию в обработке сигнала датчика.
Важнейшей особенностью формирователя МАХ1460 является цифровая коррекция выхода 16-разрядного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) во всем температурном диапазоне. Это более чем расширяет диапазон применения МАХ1460: переносной инструмент, датчики давления и ускорения, промышленные датчики давления, «интеллектуальные» зарядные устройства, электронные весы, измерители потока, гидравлические системы, автомобильные системы. Цифровая коррекция выполняется цифровым процессором сигналов (DSP) и встроенным 128-разрядным ЭППЗУ, в котором находятся калибровочные коэффициенты пользователя. Выход реализован в виде 12-разрядного слова или пропорционального (напряжению питания) аналогового напряжения с использованием встроенного 12-разрядного цифро-аналогового преобразователя. Дополнительный операционный усилитель не будет лишним при фильтрации аналогового выхода.
В состав аналогового тракта сигнала входит 2-разрядный усилитель с программируемым коэффициентом усиления и 3-разрядный ЦАП предварительной коррекции смещения. После прохождения этого каскада предварительно скорректированный сигнал преобразуется в цифровой 16-разрядным АЦП. Цифровой сигнал датчика, встроенный датчик температуры и поправочные коэффициенты из внутренней памяти используются процессором сигналов для формирования нормированного сигнала.
Разберем работу процессора подробнее. Сигнал с датчика поступает на вход
МАХ1460 (блок-схема на рис. 10), где выполняются предварительные усиление сигнала и коррекция смещения. Коэффициент усиления и предварительное смещение устанавливаются в регистре конфигурации (5 бит). Эти биты должны быть сконфигурированы для получения оптимального динамического диапазона АЦП. Сигнал датчика в цифровом виде хранится в регистре (только для чтения) процессора сигналов. Еще один 3-разрядный ЦАП предварительного смещения предназначен для встроенного датчика температуры (преобразует сигнал температуры для рабочего диапазона АЦП). Оцифрованная температура также хранится в регистре процессора сигналов. Сигнал датчика в цифровом виде, температура и коэффициенты коррекции используются процессором для расчета компенсации и коррекции выходного сигнала.
Особенности аналогового тракта. Наличие в составе МАХ1460 встроенного температурного моста позволяет использовать температуру микросхемы как «доверенное лицо» температуры датчика. По этой причине МАХ1460 необходимо размещать так, чтобы была обеспечена температурная близость датчика и микросхемы. Выход температурного моста корректируется 3-разрядным ЦАП грубого смещения и обрабатывается АЦП. Установкой битов смещения датчика температуры в регистре конфигурации можно добиться того, что оцифрованная температура будет предельно приближена к 0 в середине температурной шкалы. Это сделано для того, чтобы максимально расширить динамический диапазон коэффициентов температурной калибровки.
Аналогично МАХ1458/78 в МАХ1460 реализована возможность работы с автоматизированными системами тестирования. При этом система тестирования связана с несколькими МАХ1460. Выходы МАХ1460 с тремя состояниями позволяют параллельно подключить несколько датчиков, так что можно использовать все пять линий последовательного интерфейса (XIN, TEST, RESET, SDIO и SDO). Выбор отдельного датчика производится системой тестирования с использованием CS1 и CS2.
Цифровой процессор сигналов реализует характеристическое уравнение:
D = Gain (1+GJ+GJ2) (Signal+°f0 +°ПТ+°ПТ2) + doff (1)
где Gain корректирует чувствительность датчика, G1 и G2 — температурный коэффициент, а T и Signal представляют собой температуру и аналоговый выход в цифровом виде. Коэффициент Of0 используется для коррекции смещения датчика, а Of1 и Of2 — для температурного коэффициента смещения; DOFF — смещение на выходе в середине диапазона.
Калибровочные коэффициенты могут быть записаны системой тестирования или в ЭСППЗУ МАХ1460, или непосредственно в регистры цифрового процессора сигналов. Это позволяет интеллектуальному АЦП начинать процесс преобразования, используя содержимое памяти или регистров. При выполнении системой тестирования команды МАХ1460 функционирует как последовательно управляемое ведомое устройство.
После калибровки и окончательного тестирования МАХ1460 «привязывается» к конкретному датчику, и эта «идеальная пара» может быть удалена из системы тестирования.
Калибровка и компенсация. Точная калибровка выполняется тестированием пары дат-чик/МАХ1460, а затем определением коэффициентов калибровки Gain, G1, G2, Of0, Of1 и Of2 на основе характеристического уравнения (1). Несмотря на то, что это точная калибровка, процедура ее выполнения достаточно проста и для нее необходимы температура в трех точках (обозначенных А, В, С) при двух значениях тока датчика S (малое) и L (большое). Таким образом, для расчета шести коэффициентов калибровки есть данные в шести точках (AS, AL, BS, BL, CS, CL) и шесть вариантов характеристического уравнения в виде:
DL - DOFF = Gain (1+G1Tc+G2 Tc2)
(SignalcL+Of0+°f1TC+°f2TC2) (2)
где Dl, Ds и DOFF определяются итоговой спецификацией; DL — требуемый выход МАХ1460,
Компоненты и технологии, № 8'2003
COMPENSATED TRANSDUCER ERROR
0,20
0,15
¡2 0,10 О
О
и 0,05
о
о
? О z'
á -0,05
ш -0,10 О
ш -0,15 -0,20
PSO s /
OFF SET
0 10 20 30 40 50 60 70
TEMPERATURE (°С)
Рис. 11. Погрешность датчика после коррекции
10 8 6 4 Í 2 )
i ¿
U
-4
-6
-8
-10
UNCOMPENSATED SENSOR ERROR
JSO
OFF. SET
0 10 20 30 40 50 60 70
TEMPERATURE (°С)
Рис. 12. Характеристика кремниевого датчика
Lucas-NovaSensor модели NPH8-100-EH
соответствующий току датчика Ь, — выход при токе датчика 8, 0орр — значение выхода в середине шкалы. SignаlCL является оцифрованным значением сигнала датчика при температуре С и токе Ь, а Тс — оцифрованная температура датчика при температуре С.
Нестабильное значение оцифрованной температуры является индикатором того, что терморавновесное состояние не достигнуто. Следовательно, необходимо либо увеличить время выдержки, либо улучшить термообмен между датчиком и МАХ1460.
Результаты калибровки приведены на рис. 11, а для сравнения на рис. 12 дана характеристика кремниевого датчика Lucas-NovaSensor модели NPH8-100-EH.
Применение компенсированной пары датчик/МАХ1460. По завершении калибровки МАХ1460 и датчик представляют собой согласованную пару. Вывод START можно подключить к питанию и оставить свободным (если нет необходимости в большом времени прогрева датчика). Оцифровка температуры выполняется в первой половине времени преобразования tADC, то есть МАХ1460 обеспечивает минимальное время прогрева за 35 мс. При использовании кварца на 2 МГц время преобразования tCONV составляет 67 мс. Если необходимо повторять преобразование со скоростью 15 Гц, то достаточно установить бит режима повторения Repeat Mode.
Если работать с датчиком, время прогрева которого больше 35 мс, то вывод START можно использовать для запуска преобразования (рис. 13). Если бит режима повторения Repeat Mode установлен в «1», то на выводе START должен быть высокий уровень. В том случае, когда бит Repeat Mode сброшен, с помощью вывода START можно управлять скоростью преобразования МАХ1460. Завершение преобразования (конечно, после того, как 12-разрядный параллельный выход D бу-
дет находиться в регистре-защелке) — подача на вывод START низкого уровня хотя бы на один такт.
В МАХ 1460 предусмотрено преобразование выходным ЦАП параллельного выхода в последовательный поток битов на выходе OUT. А простой фильтр нижних частот на основе дополнительного операционного усилителя МАХ1460 переводит этот поток в аналоговое напряжение, не зависящее от напряжения питания (рис. 14). Фильтр инвертирует сигнал, но коэффициенты характеристического уравнения Gain и DOFF
VDD|
1 out г
RH1 1 UNFILTRED
10k BITSREAM
1 AGNO
RD2 A
10k
і
R1
500к
AM POUT
FILTRED ANALOG OUTPUT
Рис. 14. Фильтр НЧ на основе дополнительного усилителя
можно настроить для получения такой же полярности. Если дополнительный усилитель не используется, то его можно отключить установкой соответствующего бита в регистре конфигурации.
Чтобы облегчить жизнь разработчикам, для МАХ1460 выпускается отладочный набор (evaluation/development kit), который особо рекомендуется тем, кто в первый раз сталкивается с этой микросхемой.
